Oxidació i reducció

Les reaccions redox descriuen canvis de nombres d’oxidació i transferències d’electrons. La manera més segura de seguir-les és identificar qui s’oxida, qui es redueix i comprovar simultàniament conservació de massa i càrrega.

Oxidació i reducció sempre van juntes

Oxidar significa augmentar el nombre d’oxidació; en moltes reaccions senzilles això correspon a una pèrdua d’electrons. Reduir significa disminuir el nombre d’oxidació i sovint correspon a un guany d’electrons. Si una espècie cedeix electrons, una altra part del sistema els ha d’acceptar.

En Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, el zinc passa de 0 a +2 i s’oxida; el coure passa de +2 a 0 i es redueix. Zn és l’agent reductor perquè provoca la reducció de Cu²⁺, mentre que Cu²⁺ és l’agent oxidant.

Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cuelectrons perduts = electrons guanyats
Les semireaccions fan visible la transferència d’electrons

Els nombres d’oxidació són una comptabilitat útil

En una espècie elemental, el nombre d’oxidació és 0. En un ió monoatòmic coincideix amb la càrrega. L’oxigen és habitualment −2, amb excepcions com peròxids; l’hidrogen és habitualment +1 amb no-metalls i pot ser −1 en hidrurs metàl·lics. La suma dels nombres d’oxidació ponderats pels àtoms ha d’igualar la càrrega total.

Aquests nombres no són càrregues atòmiques mesurades. Són un esquema formal per assignar electrons d’enllaç i seguir canvis redox.

Balancejar per semireaccions conserva massa i càrrega

En medi àcid

Separa oxidació i reducció. Ajusta primer els àtoms diferents d’O i H, després O amb H₂O, H amb H⁺ i finalment la càrrega amb e⁻. Multiplica les semireaccions perquè el nombre d’electrons sigui el mateix i suma-les, cancel·lant les espècies comunes.

En medi bàsic

Una tècnica segura és balancejar primer com si el medi fos àcid i després afegir OH⁻ als dos costats per neutralitzar cada H⁺. Simplifica les molècules d’aigua que apareguin a tots dos membres i comprova de nou àtoms i càrrega.

conservació d’àtomsconservació de càrregala càrrega és un control tan important com els àtoms
Una equació redox ajustada ha de complir totes dues

Redox no exigeix electrons lliures visibles

En una combustió com CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O no veiem electrons lliures a l’equació molecular, però els nombres d’oxidació revelen la redistribució: el carboni passa de −4 a +4 i s’oxida; l’oxigen passa de 0 a −2 i es redueix.

També existeixen reaccions de desproporció en què la mateixa espècie s’oxida i es redueix simultàniament, i comproporcions en què dos estats d’oxidació convergeixen cap a un d’intermedi.

De la química a l’electroquímica i la corrosió

Una pila galvànica separa espacialment les dues semireaccions i obliga els electrons a circular per un circuit extern. A l’ànode té lloc l’oxidació i al càtode la reducció. El signe dels elèctrodes depèn de si la cel·la funciona espontàniament o és electrolítica, però els noms ànode/oxidació i càtode/reducció no canvien.

La corrosió és sovint un procés electroquímic amb regions anòdiques i catòdiques. Entendre les semireaccions ajuda a explicar per què l’aigua, l’oxigen, els electròlits i el contacte amb altres metalls poden canviar la velocitat de corrosió.

Un exemple complet de semireaccions en medi àcid

Per ajustar MnO₄⁻ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺, la semireacció del ferro és Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. Per al permanganat, s’ajusta O amb H₂O, H amb H⁺ i la càrrega amb electrons:

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O

5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ + 5e⁻

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O + 5Fe³⁺

La comprovació final és mecànica: compta cada element i verifica la càrrega total a tots dos costats. Els electrons han de desaparèixer de l’equació global.

Desproporció i comproporció

Una mateixa espècie pot oxidar-se i reduir-se alhora. En la desproporció, un estat d’oxidació inicial dona productes amb estats més alt i més baix. El peròxid d’hidrogen pot fer 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂: l’oxigen passa de −1 a −2 i a 0.

El procés invers, en què dos estats d’oxidació diferents convergeixen cap a un estat intermedi, s’anomena comproporció.

Exemple en medi bàsic

Per ClO⁻ → Cl⁻, primer es pot ajustar com si el medi fos àcid: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Després s’afegeixen 2OH⁻ als dos costats, es combina H⁺ + OH⁻ en H₂O i es cancel·la l’aigua comuna:

ClO⁻ + H₂O + 2e⁻ → Cl⁻ + 2OH⁻

El mètode funciona perquè la conservació d’àtoms i càrrega s’imposa a cada etapa.

Transferència d’electrons, energia lliure i velocitat

Una equació redox ajustada diu quants electrons es transfereixen, però no diu si la reacció és espontània ni si serà ràpida. La termodinàmica determina la força impulsora d’energia lliure; la cinètica determina la velocitat.

En electroquímica, ΔG = −nFE relaciona l’energia lliure amb el potencial de cel·la. Un voltatge positiu d’una pila galvànica correspon a ΔG negatiu per la reacció espontània escrita en aquelles condicions.

Una reacció redox favorable pot ser lenta si hi ha barreres de ruptura d’enllaç, reorganització del dissolvent o altres energies d’activació. Un catalitzador pot accelerar-la sense canviar el recompte d’electrons.

El nombre d’oxidació no sempre és una transferència literal

En reaccions fortament iòniques, el canvi de nombre d’oxidació pot correspondre de prop a una transferència d’electrons entre espècies. En molècules covalents és sovint una comptabilitat formal basada en assignar els parells compartits a l’àtom més electronegatiu.

Quan el carboni del metà passa formalment de −4 a +4 en formar CO₂, això no significa que vuit electrons localitzats sobre el carboni saltin físicament cap a l’oxigen. El mètode continua sent correcte per comptabilitzar la reacció redox.

Exemples resolts

Exercici 1 — A Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, qui és l’oxidant?

Cu²⁺ és l’agent oxidant: es redueix de +2 a 0 i accepta els electrons que perd Zn.

Exercici 2 — Quin és el nombre d’oxidació del sofre a SO₄²⁻?

Cada O val habitualment −2: quatre oxígens sumen −8. Com la càrrega total és −2, S + (−8)=−2 i el sofre és +6.

Exercici 3 — Per què una equació redox pot tenir tots els àtoms ajustats i continuar sent incorrecta?

Perquè també ha de conservar la càrrega. En el mètode de semireaccions, els electrons serveixen precisament per ajustar aquesta comptabilitat abans de sumar les dues meitats.